Химики из Стенфордского Университета впервые совершили полный синтез батрахотоксина, основного компонента яда лягушек-листолазов (род в семействе древолазов). Это вещество используется в исследованиях как активатор натриевых каналов в клеточных мембранах, одновременно являясь сильнейшим небелковым ядом со стероидной структурой. Синтез состоял из 24 препаративных стадий, что почти в два раза меньше, чем все предыдущие попытки получения соединения. Общий выход составил около двух миллиграм (0,25 процента от теоретического максимума). Исследование опубликовано в журнале Science.
Батрахотоксин впервые был выделен в 1963 году из представителей рода листолазов. К этому роду относится самый ядовитый из известных видов лягушек — ужасный листолаз (Phyllobates terribilis), обитающий в Южной Америке. В одной особи этого вида может находиться до 500 микрограмм токсина. Местные жители использовали яд листолазов для охоты — с его помощью отравляли наконечники стрел. Токсичная доза для мышей составляет примерно два микрограмма на килограмм веса.
Нейротоксичность вещества связана с его способностью связываться с натриевыми каналами в клеточных мембранах. Батрахотоксин открывает их и делает «неразборчивыми» к тому, какие ионы поступают в клетку. В результате даже при потенциале покоя на мембране клетки каналы оказываются открыты, что прекращает передачу нервных импульсов. В масштабах организма это приводит к аритмии и остановке сердца. Хотя противоядия к нему неизвестно, предотвратить деполяризацию клеточных мембран может другой яд — тетродотоксин из рыбы фугу. Он обладает строго противоположным действием.
Сейчас батрахотоксин применяется в исследованиях — с его помощью химики изучают динамику поведения натриевых каналов. Цель таких работ — поиск малых простых молекул, способных изменять состояние каналов. Поиск в базе данных Google Scholar выдает около 5,5 тысяч статей, связанных с активностью вещества. Но природные источники батрахотоксина ограничены: наиболее ядовитые листолазы имеют статус вымирающих или близких к уязвимому положению видов. Суммарный «природный ресурс» токсина в 2009 году составил менее 170 миллиграмм (в ранние годы его количество достигало грамма). Кроме того, токсин был найден в ряде жуков и птиц, но в небольших количествах (порядка микрограмм на особь).
Попытки синтеза батрахотоксина предпринимались начиная с 1998 года, когда химики из Гарварда осуществили формальный синтез вещества в более чем 40 стадий. Конечным продуктом стал батрахотоксинин-А, преобразовывать который в целевое вещество химики не стали, сославшись на существование известной методики. Выход вещества составил 400 микрограмм смеси двух зеркальных изомеров.
Главной проблемой в синтезе является сложная пространственная структура молекулы. Среди прочего, в ней есть сложный для постройки пропеллановый фрагмент, где к одной связи крепятся сразу три цикла, как лопасти к оси. Тщательный анализ последних достижений в области органического синтеза и планирование работы позволили авторам новой работы не только построить ее за 25 препаративных стадий, но и получить по отдельности два зеркальных изомера батрахотоксина: (–)- и (+)-производное.
Только (-)-изомер батрахотоксина встречается в природе. Его зеркальный аналог, как выяснили авторы работы, обладает противоположным эффектом по сравнению с ядом: он не открывает, а закупоривает натриевые каналы.
Одна из исторических задач полных синтезов тех или иных природных веществ — доказательство структуры. Синтезировав аналог природного алкалоида химики сравнивали его температуру плавления, цвет, спектральные характеристики и другие характеристики с целевым веществом. Одним из самых известных примеров полных синтезов — работа Вудворта по синтезу витамина B12 (цианкобаламина). На разработку стратегии и саму работу ушло более десяти лет, синтез состоял из 95 препаративных стадий. Над ним работали 91 постдок и 12 аспирантов из 19 стран, а два значимых фрагмента молекулы синтезировались по разные стороны Атлантического океана.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение